Konrad Piotrowski
Inżynier ekolog
Serce produkcji wodoru: od prostych układów do zaawansowanych elektrolizerów
Elektroliza wody jest jednym z fundamentalnych procesów elektrochemicznych, który od ponad dwóch stuleci fascynuje naukowców i inżynierów, a dziś nabiera kluczowego znaczenia w kontekście światowej transformacji energetycznej. Umożliwia ona przekształcenie energii elektrycznej w paliwo chemiczne – wodór, który może być magazynowany, transportowany i wykorzystywany jako nośnik energii w wielu gałęziach gospodarki. Mimo, że współczesne elektrolizery są zaawansowanymi urządzeniami inżynierskimi, zasada ich działania opiera się na kilku podstawowych procesach elektrochemicznych. Aby zrozumieć, w jaki sposób nowoczesne elektrolizery osiągają wysoką sprawność, wytrzymałość i bezpieczeństwo, warto rozpocząć od omówienia podstawowego mechanizmu elektrolizy oraz od analizy najprostszej konstrukcji – komórki HHO (urządzenia produkującego tzw. gaz Browna, mieszaniny wodoru i tlenu w proporcji ok. 2:1).
Elektroliza wody polega na wymuszonym przepływie elektronów przez układ składający się z dwóch elektrod zanurzonych w wodzie z dodatkiem elektrolitu lub oddzielonych membraną jonowymienną. Gdy do elektrod przyłożone zostaje odpowiednie napięcie, dochodzi do rozkładu cząsteczek wody na wodór oraz tlen. Proces ten jest z natury endotermiczny i wymaga dostarczenia energii z zewnątrz, ponieważ cząsteczki H₂O są chemicznie stabilne i nie rozpadają się samoczynnie. Z punktu widzenia termodynamiki minimalna różnica potencjałów, przy której możliwy jest rozpad wody, wynosi 1,23 V. Jednak w praktycznych warunkach proces wymaga zastosowania napięć o wartości 1,6 –2,4 V, co wynika z szeregu zjawisk utrudniających przebieg reakcji, przede wszystkim z oporów transportu masy i ładunku.
Aby zrozumieć, co dokładnie dzieje się na elektrodach, należy przyjrzeć się reakcjom pojedynczego ogniwa. W warunkach alkalicznych na katodzie przebiega redukcja cząsteczek wody, opisana równaniem:
2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻.
Jest to reakcja polegająca na przejęciu elektronów i rozszczepieniu cząsteczek wody na wodór oraz jony OH⁻. Te jony migrują następnie przez roztwór do anody, gdzie ulegają utlenieniu:
2OH⁻ → ½ O₂ + H₂O + 2e⁻.
Postać sumaryczna reakcji:
2H₂O → 2H₂ + O₂.
Jest to podstawowy mechanizm elektrolizy wody, który zachodzi w każdej technologii niezależnie od tego, czy mamy do czynienia z najprostszym układem, czy z zaawansowanym elektrolizerem membranowym.
Najbardziej elementarnym urządzeniem wykorzystującym działanie tego procesu jest komórka HHO. Jest to układ wyjątkowo prosty, zbudowany zwykle z dwóch nieskomplikowanych elektrod ze stali nierdzewnej, zanurzonych w roztworze wodnym z dodatkiem elektrolitu, którym najczęściej jest KOH (wodorotlenek potasu) lub NaOH (wodorotlenek sodu). Elektrolit jest niezbędny, ponieważ czysta woda jest bardzo słabym przewodnikiem, a dodatek jonów znacząco obniża rezystancję roztworu i umożliwia płynny transport ładunku między elektrodami. Komórka HHO, mimo swojej prostej konstrukcji, dobrze ukazuje podstawowe zależności elektrochemiczne: wpływ napięcia na intensywność wydzielania gazów, wpływ elektrolitu o różnych stężeniach procentowych, rolę powierzchni elektrod, wpływ temperatury na przewodność czy zjawiska związane z rezystancją wewnętrzną.
Poza swoją dydaktyczną wartością komórka HHO jest daleka od zaawansowanych technologicznie elektrolizerów używanych do przemysłowej produkcji wodoru. Jej podstawową wadą jest całkowity brak separacji produktów reakcji. Wodór i tlen wydzielają się w tym samym obszarze, a powstałe pęcherzyki gazów natychmiast mieszają się, tworząc mieszaninę HHO, tzw. gaz Browna. W praktyce oznacza to, że gaz nie nadaje się do zastosowań, które wymagają czystego wodoru, a sam układ nie jest w pełni bezpieczny, ponieważ mieszanina wodoru i tlenu w stosunku 2:1 stanowi paliwo o niezwykle wysokiej reaktywności, tj. nie spala się w kontrolowanych warunkach, a prowadzi do gwałtownego wybuchu. Ponadto komórki HHO zwykle operują na prostych, płaskich elektrodach pozbawionych katalizatorów, co skutkuje niską sprawnością energetyczną. Duża część dostarczonej energii przekształcana jest w ciepło, co prowadzi do nagrzewania roztworu i dalszego wzrostu strat w układzie.
W profesjonalnych elektrolizerach problem separacji gazów został rozwiązany poprzez zastosowanie membran, przegród lub separatorów jonowych. W elektrolizerach PEM (elektrolizery z membraną wymiany protonów) membrana pełni jednocześnie rolę elektrolitu i separatora, przewodząc protony, lecz nie przepuszczając gazów. W elektrolizerach alkalicznych stosuje się porowate diafragmy, będące rodzajem membrany oddzielającej wewnątrz elektrolizera wodór od tlenu, zwykle wykonane z materiałów odpornych na stężone roztwory KOH. Nowsze technologie, takie jak AEM (elektrolizery z membraną wymiany anionów), wykorzystują membrany przewodzące aniony OH⁻, co pozwala połączyć pewne zalety technologii alkalicznej z prostotą systemów membranowych. Dzięki temu wodór powstaje w postaci czystej, a tlen odprowadzany jest inną ścieżką, co zwiększa bezpieczeństwo i eliminuje potrzebę późniejszej separacji mieszaniny gazów.
W nowoczesnych elektrolizerach stosuje się elektrody o złożonej strukturze, często o dużej porowatości i ogromnej powierzchni właściwej. Dodatkowo pokrywane są one materiałami katalitycznymi, które ułatwiają przebieg reakcji, obniżają nadnapięcia i zwiększają wydajność procesu. W układach PEM wykorzystywane są drogie, ale bardzo skuteczne metale szlachetne – platyna na katodzie oraz iryd lub ruten na anodzie. Elektrolizery alkaliczne stosują katalizatory niklowe i kobaltowe, co pozwala na obniżenie kosztów bez drastycznej utraty wydajności. Technologie AEM natomiast dążą do pełnej rezygnacji z metali szlachetnych, co ma szczególne znaczenie przy skalowaniu produkcji elektrolizerów na potrzeby globalnego rynku wodoru.
Niezwykle istotnym aspektem różniącym komórki HHO od przemysłowych elektrolizerów jest także sposób kontroli parametrów operacyjnych. Komórki HHO pracują w warunkach atmosferycznych, bez aktywnego chłodzenia, bez kontroli przepływu wody, bez stabilizacji prądu, bez zarządzania temperaturą elektrolitu i bez jakiejkolwiek automatyki. W konsekwencji ich praca jest niestabilna, a sprawność zmienia się w zależności od temperatury, poziomu wody, stopnia zużycia elektrod czy charakterystyki zasilania. Nowoczesne elektrolizery posiadają zaawansowane systemy nadzorujące: czujniki ciśnienia, temperatury, przepływu, wilgotności gazów, a także układy recyrkulacji i kondycjonowania wody. W wielu konstrukcjach elektroliza zachodzi pod ciśnieniem, co pozwala na uzyskanie wodoru o podwyższonym ciśnieniu już na etapie produkcji, bez konieczności stosowania energochłonnych sprężarek. Przekłada się to na oszczędność energii, ale również na zwiększenie bezpieczeństwa i wydłużenie żywotności urządzenia.
Komórki HHO znajdują dziś zastosowanie w wielu obszarach, w których liczy się wysoka reaktywność wodoru oraz czyste spalanie mieszaniny gazowej. W branży kosmetycznej wykorzystuje się je przede wszystkim w urządzeniach do pielęgnacji skóry, gdzie tzw. „wodór aktywny” stosowany jest w zabiegach oczyszczających i antyoksydacyjnych, wspomagając neutralizację wolnych rodników oraz poprawę kondycji cery. W motoryzacji komórki HHO stosowane są jako generatory gazu w instalacjach typu on-demand, gdzie ich zadaniem jest wzbogacenie mieszanki w silniku spalinowym i poprawa jakości spalania – w praktyce ma to na celu zmniejszenie emisji zanieczyszczeń i poprawę kultury pracy jednostki napędowej. Z kolei w zastosowaniach leczniczych i rehabilitacyjnych gaz HHO bywa wykorzystywany w terapii inhalacyjnej oraz fizykoterapii, m.in. jako medium o właściwościach przeciwzapalnych i regeneracyjnych. Choć każda z tych dziedzin wykorzystuje HHO w zupełnie różny sposób, łączy je dążenie do wykorzystania unikalnych właściwości wodoru i tlenu w postaci wysokoenergetycznej mieszaniny wytwarzanej bezpośrednio w komórkach elektrolitycznych.
Analizując te różnice, można dostrzec wyraźnie, że komórka HHO pełni głównie funkcję edukacyjną, jako dodatek technologiczny, natomiast elektrolizery przemysłowe są efektem wieloletnich badań z zakresu elektrochemii, materiałoznawstwa i inżynierii procesowej, będąc częścią przemysłu ciężkiego oraz energetyki krajowej. Mimo, że oba systemy oparte są na tych samych reakcjach chemicznych, ten sam proces w praktyce może przebiegać z różną sprawnością, bezpieczeństwem i poziomem zaawansowania. Dzięki zrozumieniu komórki HHO łatwiej jest zrozumieć rolę membran, katalizatorów, konstrukcji elektrod oraz zarządzania ciepłem w nowoczesnych elektrolizerach, co stanowi podstawę dla dalszej analizy technologii alkalicznych, PEM, AEM oraz wysokotemperaturowych SOEC (ang. Solid Oxide Electrolyzers, elektrolizery stałotlenkowe), które zdominowały i wciąż rozwijają przemysłową produkcję zielonego wodoru.
Źródła:
O'Hayre, Ryan P - Fuel cell fundamentals (2006, John Wiley & Sons)
Dmitri Bessarabov,Haijiang Wang,Hui Li,Nana Zhao- PEM Electrolysis for Hydrogen Production: Principles and Applications (2015, Taylor & Francis)
Newman, John S, Thomas-Alyea, Karen E- Electrochemical systems (2004, Hoboken, N.J. : J. Wiley)
Zdjęcia: ©Konrad Piotrowski. Wykorzystanie w celach naukowych.
Zdjęcie 1: Komórka HHO typu płytowego z elektrodami ze stali nierdzewnej, złożona w pakiet za pomocą zewnętrznych płyt poliwęglanowych oraz śrub dociskowych. Widoczne przyłącza odpowiadają za doprowadzanie elektrolitu oraz odprowadzanie powstającej mieszaniny wodorowo- tlenowej.
Zdjęcie 2: Zestaw płyt elektrodowych komórki HHO przed pełnym montażem. Konstrukcja warstwowa z uszczelkami zapewnia separację komór reakcyjnych i szczelność układu podczas pracy.
Zdjęcie 3: Komórka HHO w układzie testowym, w której każda elektroda jest bezpośrednio podłączona do źródła zasilania. Konstrukcja nie wykorzystuje membran, lecz oddzielne przegrody komór reakcyjnych umożliwiają separację wodoru i tlenu oraz ich niezależny odbiór oddzielnymi przewodami gazowymi.
